Оптические вычисления - Арратуна Р.
Скачать (прямая ссылка):
технологии к актуальным потребностям в быстродействующих матрицах
фотоприемников и ПМС. Основное внимание уделяется особенностям, присущим
лишь GaAs, в частности высокому быстродействию GaAs - ПЗС, и
использованию явления электропоглощения в квантоворазмерных GaAs/AlGaAs-
структурах. В разд. 3.2 рассматриваются некоторые примеры процессоров для
ЭООС, использующие эти важнейшие интерфейсные компоненты. В разд. 3.3
предлагается обзор принципов работы ПЗС-структур на основе барьера
Шоттки. В разд. 3.4 и 3.5 рассматриваются достижения в области создания
быстро-
Электрический входной сигнал "V
Промодулированный оптический выходной сигнал
•%. Электрический выходной сигнал
Рис, 3.1. Принципиальная схема двумерного пространственного модулятора
света с адресацией на ПЗС,
78
Часть I. Пространственные модуляторы света
действующих ПЗС-матриц фотоприемников на GaAs и соответственно ПМС,
основанных на эффекте электропоглощения в ПЗС.
3.2. Примеры электрооптической обработки сигналов (ЭООС)
Электрооптическая обработка сигналов обычно используется в задачах, где
скорость и производительность более важны, чем точность и динамический
диапазон. Это задачи из области обработки сигналов, обработки изображений
и оптических вычислений. ЭООС особенно хорошо подходит для таких задач
из-за изначально двумерной природы оптических пучков и возможности
наложения нескольких пучков на одном и том же участке, что приводит к
высокой степени параллельности вычислительных сетей. Эту концепцию
параллельной обработки в настоящее время дублируют в электронных
вычислительных сетях, называемых "систолическими матрицами", где большое
число связанных процессоров образует упорядоченную двумерную сеть. В
данном разделе представлены некоторые примеры такого параллелизма, откуда
становится ясной превалирующая роль ПЗС-технологии.
Первым из примеров устройства ЭООС является аналого-цифровой
преобразователь (АЦП), использующий электроопти-ческий эффект в LiNb03
[3]. 4-разрядный вариант этого устройства показан на рис. 3.2, а, в то
время как на рис. 3.2, б более подробно показана схема матрицы элементов
АЦП на LiNb03. Преобразуемый аналоговый сигнал подается на центральные
электроды четырех оптических волноводных интерфе-рометрических
модуляторов, выполненных на подложке из LiNb03. Эти модуляторы обладают
тем свойством, что их оптический выходной сигнал представляет собой
периодическую функцию аналогового сигнала напряжения и длины электродов
вдоль направления волноводов. Это означает, что при подходящих пороговых
характеристиках выходные сигналы волновода могут быть использованы для
получения двоичного представления аналогового входного сигнала.
Реализация функции выборки в этих устройствах осуществляется оптическими
методами с использованием серии коротких лазерных импульсов, подаваемых с
соответствующей скоростью выборки. Были получены скорости выборки в 1
ГВ/с (гигавыборка/секунду) [3], и методика дает надежду на получение
скоростей, достигающих 3 ГВ/с.
На рис. 3.2, а пунктирной рамкой обозначена наиболее критическая часть
преобразователя, регистрирующая короткие оптические импульсы, применяющая
пороговую функцию к получающемуся сигналу и затем демультиплексирующая
данные
ГМатрица фотоприемников
103,5 МЙП
Ш^АЙГ
лазер с синхронизацией мод
276 МГц -A-JL
Мульти -плексор импульсов
828 МГц
AJUUL
Выходной сигнал I
ПЗС
мультиплексор
I ПЗС на GaAs-ИС L
Аналоговый входной сигнал
Преобразователь последовательного кода в 8-разрядный параллельный
Синхронизация Параллельное тактовыми считывание импульсами
МЗР (младший значащий разряд)
СЗР (старший значащий разряд)
Аналоговый входной сигнал
^ Раздельные постоянные смещения
Рис. 3.2. 4-разрядный электрооптический аналого-цифровой преобразователь
с быстродействующей регистрирующей системой на GaAs-элементной базе [3]:
а - полная схема преобразователя; б - схематическое изображение матрицы
АЦП
на кристалле LiNb03.
80
Часто I. Пространственные модуляторы света
для дальнейшей обработки при меньших скоростях. В системе, предложенной в
[3], эти функции осуществлялись с помощью лавинных фотодиодов,
подсоединенных к быстродействующим биполярным компараторам и
последовательно-параллельному преобразователю. При скоростях более 1 ГВ/с
эти элементы схемы потребуется заменить на более быстродействующие, и
здесь технология GaAs могла бы поднять существующий потолок
быстродействия. Матричные ПЗС-детекторы на арсениде галлия могли бы
обеспечить детектирование, а их выходные сигналы - усиливаться и
подаваться в компараторы, изготовленные на монолитной GaAs-подложке.
Демультиплексирование могло бы быть выполнено преобразователем
последовательного кода в параллельный на ПЗС или быстродействующих
полевых транзисторах.
Акустооптический спектроанализатор [17] представляет собой хорошо
известный случай приложения оптических методов. На рис. 3.3 описана такая
система и показано, как в ней используется ПЗС-детектор -
